與 Si 器件相比， SiC 器件具有更加優異的電氣性能， 新特性給其結溫評估帶來了新挑 戰， 許多適用于 Si 器件的結溫評估方法可能不再適用于 SiC 器件。首先對 SiC 金屬氧化物半導體 場效應晶體管 (MOSFET) 的溫度特性進行了分析， 闡述了本征載流子濃度、 載流子遷移率等參 數受溫度的影響機理， 分析了器件阻斷特性、 輸出特性、 轉移特性等參量， 以便找到能夠表征結 溫特性的電氣參量;然后研究分析了功率器件結溫測量的各類方法， 并重點闡述了溫敏電參數 (TSEP) 法在 SiC MOSFET 結溫評估領域的應用前景， 從線性度、 靈敏度等 6 個方面對比分析了 各方法的優缺點， 并指出閾值電壓和體二極管壓降作為 TSEP 具有顯著優勢;最后分析了 TSEP 法在目前工程應用中面臨的挑戰， 并對未來的研究工作進行了展望。

0 引言

隨著經濟的發展， SiC 作為一種新興的半導體 材料， 相比于傳統的 Si 材料具有禁帶寬度大、 擊 穿場強高、 熱導率高等特點。由 SiC 材料制作的功 率器件因其在高溫、 高頻、 高壓、 高功率密度等方 面具有更加優越的性能 ， 在航空航天、 軌道交 通、 新能源發電與新能源汽車等領域有著廣泛的應 用前景。一方面， 在電力電子系統的故障中， 約 31%是功率器件故障引起的， 而功率器件的故障中 約 60%與溫度相關 ;另一方面， 根據失效的部 位可將功率器件失效分為兩大類：芯片失效與封裝 失效。芯片失效又分為電擊穿和熱擊穿， 研究指出 電擊穿失效的本質也是由于溫度過高而最終引起的 熱擊穿失效 ;加入三代半交流群，加VX：tuoke08。而封裝失效是由于結溫過高或長 期的熱循環造成的， 對結溫進行主動管理可以提高 器件可靠性 。所以研究 SiC 功率器件的溫度特 性和結溫評估方法對功率器件的運行可靠性提升具 有重要意義。

已有研究指出， SiC 金屬氧化物半導體場效應 晶體管 (MOSFET) 的使用溫度最高可達 500 ℃ ， 在高溫下依舊能保持穩定的伏安特性 。與 Si 器 件相比， 其高溫下的運行更穩定， 可靠性更高。結 溫是影響器件功耗和開關特性的主要因素之一， 過 高的結溫以及短時間內的大幅度結溫變化都可能導 致器件損傷或失效， 準確的結溫評估為功率器件的 智能控制、 可靠性評估、 狀態監測以及主動熱管理 等提供了重要依據 。結溫評估的方法可大致分 為四大類：熱網絡法、 光學法、 物理接觸法以及溫 敏電參數 (TSEP) 法。

TSEP 法是目前被認為最有前景的結溫評估方 法之一， 應用于 Si 功率器件的結溫評估已經相對 成熟。一方面， 由于微觀物理參數以及結構的不 同， SiC 功率器件的溫度特性與 Si 功率器件之間存 在差異;另一方面， SiC 功率器件使用在開關頻率 更高的場合， 開關速度更快， 電壓、 電流的變化率 更大;進一步， 器件對寄生參數更加敏感 。這 些因素可能導致適用于 Si 功率器件結溫評估的 TSEP 法， 在 SiC 功率器件的結溫評估中不再適用。對 SiC 器件進行結溫評估時不能照搬 Si 器件結溫 提取的方法。從已有研究來看， 應用在 SiC 功率器件結溫評估的方法并不多。

本文闡述了 SiC 器件的溫度特性研究現狀， 并 在特性與參數方面與 Si 器件進行了對比;對 SiC 功率器件的結溫評估現狀進行了分析總結， 重點對 TSEP 法進行了梳理;分析了目前 SiC 功率器件結 溫評估面臨的挑戰及對未來研究工作的展望。

1 SiC 器件的溫度特性

1.1 影響器件特性的主導因素

功率器件的特性與能帶寬度、 本征載流子濃 度、 載流子遷移率、 碰撞電離系數、 介電常數、 電 子親和力等多個物理本質因素有關。根據影響 程度大小對主導因素進行分析。

1.1.1 本征載流子濃度

熱激發條件下， 在半導體禁帶間產生電子-空 穴對， 決定著本征載流子濃度， 其直接影響功率器 件泄漏電流的大小， 并且具有明顯的溫敏特性， 通 過禁帶寬度 (EG )、 導帶態密度 (NC ) 和價帶態 密度 (NV) 表示出本征載流子濃度 (ni) ， 即

式中：n 為電子濃度;p 為空穴濃度;k 為玻耳茲 曼常數;T 為熱力學溫度。由于 SiC 的禁帶寬度遠 大于 Si 的， 所以 SiC 的本征載流子濃度比 Si 的小 得多， 這就意味著在 pn 結截止時， 二者的泄漏電 流存在幾個數量級的差異。同時， 本征載流子濃度 隨著溫度升高而增大。

1.1.2 載流子遷移率

載流子遷移率是衡量載流子在半導體中發生漂 移難易的特征量， 物理意義是單位場強下載流子發 生漂移的平均速度， 其受到半導體內的多個參數影 響。載流子遷移率可表示為載流子類型 (電子或 空穴)、 摻雜濃度以及結溫的函數， 在低摻雜濃 度下 (小于 1015 cm -3)， 4H?SiC MOSFET 漂移區內 載流子遷移率 (μ4H?SiC ) 與溫度的關系為

式中 k1為與材料相關的常數。所以， 在漂移區內， 載流子的遷移率隨著溫度的上升而減小。F. R. Jiang 等人指出， SiC 功率器件中的 SiO2 / SiC 界 面陷阱密度非常大， 遠高于 Si 器件中的 SiO2 / Si 界 面陷阱密度， 這很大程度上影響了載流子遷移率， 并且會嚴重影響 SiC 器件的性能和可靠性。雖然 SiO2在 SiC 上的熱氧化理論與 Si 類似， 但 SiC 氧化 過程中碳的存在導致界面陷阱密度比 SiO2 / Si 界面 高約 3 個數量級 。目前比較有效的減小 SiC / SiO2界面陷阱密度的工藝是高溫氮的鈍化， 可以有 效增加器件可靠性 。而界面質量是影響溝道遷 移率的一個重要因素， 它通過多種散射機制直接降 低溝道遷移率 。另外， Si MOSFET 的溝道遷移 率隨溫度升高而降低， 而 SiC MOSFET 的溝道遷移 率隨溫度升高而增加 。

1.1.3 耗盡層寬度

在 p 型襯底的器件上加正偏壓時， 半導體內會 形成一個耗盡區， 耗盡區的寬度 (WD，MOS ) 可以表 示為

式中：εS為相對介電常數;q 為單位電荷量;NA為 摻雜濃度。由式 (3) 可以得出， 耗盡層的寬度受 到溫度的直接影響。而半導體的特征電容 (CS，M ) 與耗盡層的寬度直接相關， 可表示為

所以， 器件的特征電容也具有溫度依賴性， 溫度上 升， 耗盡層寬度增大， 特征電容下降。同時， 由于 特征電容是器件本體寄生參數， 其特性受到多方面 的綜合影響 。

1.1.4 半導體總電荷

半導體的總電荷 (QS ) 可表示為

式中：p0為半導體內空穴的濃度;φB為體電勢， 其 大小為表面電勢 (ΨS ) 的一半。SiC MOSFET 的閾 值電壓 (Vth ) 可以表示為

式中 COX為氧化層的特征電容。進一步， SiC MOS? FET 的 Vth可表示為

閾值電壓的溫度依賴性主要受到本征載流子濃度的 影響， 隨著溫度的升高， 本征載流子濃度會增大， 從而導致 SiC MOSFET 的閾值電壓具有負溫度特 性， 目前已有研究通過相關實驗得到證實。表 1 為 常溫下， 兩種常見 SiC 材料與 Si 材料的物理參數 特性對比。

1.2 阻斷特性受溫度的影響

功率器件在電力電子系統中一般工作在導通或 關斷狀態， 所以研究阻斷特性的溫度特性對于器件 的應用十分重要。曾亮等人對 SiC MOSFET 阻 斷特性受溫度影響的情況進行了分析， 對不同溫度 下的擊穿電壓進行了研究， 其溫度依賴性如圖 1 所 示， 在溫度升高的過程中， 擊穿電壓不斷下降， 在 400 ～ 500 K 的溫度范圍內， 擊穿電壓對溫度較敏 感， 而在其他溫度范圍內對溫度的敏感性相對 較弱。

1.3 輸出特性受溫度的影響

SiC MOSFET 在不同溫度下的輸出特性有很大 區別， 在溫度升高的過程中， 輸出特性曲線出現下 移， 這意味著溫度升高造成飽和電流減小， 而導通 電阻增大， 二者的變化趨勢如圖 2 所示。這主 要與 SiC MOSFET 的 MOS 溝道電阻與漂移區電阻 的相互影響有關。

隨著溫度上升， 漂移區晶格散射會增強， 載流 子的遷移率則會減小， 從而漂移區電阻增加， 這樣 呈現出溫度對漂移區電阻的影響為正溫度效應;當 驅動電壓足夠， MOS 溝道會出現反型層， 其遷移 率和濃度主要是被 SiC / SiO2界面處的界面陷阱所限 制， 當溫度上升時， 界面態密度會減小， 導致反型 層的遷移率增加， 從而使 MOS 溝道電阻減小， 這 樣呈現出溫度對 MOS 溝道電阻的負溫度效應。導 通電阻主要由 MOS 溝道電阻和漂移區電阻組成， 在低溫時， 漂移區電阻占據主導地位， 而 MOS 溝 道電阻的負溫度效應會抑制總電阻的增大， 所以低 溫時電阻增大相對緩慢， 在溫度增大過程， MOS 溝道的電阻逐漸減小， 最后可忽略其變化對導通電 阻的影響。而漂移區電阻逐漸增大， 其正溫度效應 主導了導通電阻的變化， 所以導通電阻隨著溫度的 上升， 其增大速度越來越快。

1.4 轉移特性受溫度的影響

SiC MOSFET 的轉移特性描述了漏極電流隨柵 極電壓的變化情況。隨著溫度的升高， 轉移特性曲 線向上移動， 同時， 閾值電壓也在減小， 這是由于 在溫度上升過程中， 本征載流子濃度大量增加， 導 致閾值電壓隨溫度升高而降低 。這主要是因為 隨著溫度升高， 通過 SiC 帶隙中的熱載流子增多， 導致本征載流子濃度減小， 從而造成了閾值電壓的降低 。影響轉移特性的另一重要參數是跨導， 跨導定 義為漏極電流的微小增量與柵極電壓微小增量的比 值， 其表征了柵極電壓對漏極電流的控制能力 ， 跨導 (gm ) 可以表示為

式中：Z 為溝道寬度;LCH為溝道長度;Vgs為柵源 電壓;μni為反型溝道電子遷移率， 其可由典型閃 射機制中體晶格散射遷移率 (μB )、 界面態散射遷 移率 (μit )、 表面聲子散射遷移率 ( μph ) 和表面 粗糙度散射遷移率 (μsr) 等幾部分表示為

徐鵬等人 在不同溫度下對 SiC MOSFET 的跨導 進行了測量， 其結果如圖 3 所示， 圖中 Vds為漏源 電壓。由圖 3 可以看出， 隨著溫度的升高跨導增 大， 同時還指出 SiC MOSFET 與 Si MOSFET 的跨導 的溫度依賴性存在差異， 二者在不同溫度下的增長 速度不同。此外， 徐靜平等人 和陳明等人 詳 細分析了溫度對 μni的影響， 在溫度小于 600 K 時， 溫度升高， μit 增加， μni 增加;當溫度大于 600 K 時， μsr和 μph加強， 使得相應遷移率的減小程度大 于 μit的增加， 從而造成 μni減小。

跨導對于功率器件的影響體現在米勒平臺電壓 上， 米勒平臺電壓 (Vplate) 表示為

式中 IL為負載電流。綜合式 (7) ～ (10) 可得， 溫度上升， 閾值電壓與米勒平臺電壓均降低， 而二 者直接影響著開通過程的電壓下降時間與關斷過程 的電壓上升時間， 所以溫度會影響器件的開關特性 。

1.5 開關損耗及電應力的溫度特性

功率器件的開關損耗直接影響著變換器的效率 以及器件自身的結溫， 因此研究其溫度特性有著重 要意義。研究結果顯示， 在-20 ～ 60 ℃ 范圍內， 溫 度上升， 開通損耗減小， 關斷損耗增加， 而開通損 耗下降的幅度更大， 所以導致總開關斷損耗呈下降 趨勢。此外， 電流增大， 開通損耗與關斷損耗均增 大， 但是關斷損耗對電流等級的敏感性大于開通 損耗 。

開關過程的電壓、 電流變化率以及此過程中的 電壓、 電流尖峰也是影響器件性能的重要因素， 同 時會影響器件所受的電應力大小， 直接關系到器件 可靠性。隨著溫度升高， 開通過程的電壓、 電流變 化率增大， 而關斷過程的電壓、 電流變化率減小， 這就造成開通過程的電應力迅速增大， 而關斷過程 的電應力減小。進一步說明溫度升高， 會導致開通 過程的時間變短， 而關斷過程時間變長 。

2 結溫評估的研究進展

隨著功率器件使用愈加廣泛， 其結溫評估已逐 步成為研究的熱點， 結溫評估的方法有很多， 不同 的結溫評估方法各有利弊。

2.1 熱網絡法

熱網絡法測溫是基于待測器件的實時損耗和瞬 態熱網絡模型， 通過仿真計算或離線查表等方式反 推芯片的結溫及其變化趨勢 。熱網絡法有兩種 可用的熱網絡模型類型：Foster 模型和 Cauer 模 型。因 Cauer 模型具有對應于器件中不同層的 物理意義， 因此， 為了將熱網絡模型應用于可靠性 分析， 一般選 擇 Cauer 模 型 作 為 目 標 熱 網 絡 模 型 ， Cauer 型 n 階 RC 熱網絡模型如圖 4 所示， 圖中， Rth1～ n為第 1 ～ n 階熱阻;Ct h1～ n為第 1 ～ n 階 熱容;Tj為結溫;Tc為殼溫;Plo ss為器件實時損耗。

運用熱網絡法評估器件的結溫時， 需要同時獲 得待測器件的實時損耗和熱網絡模型及參數， 然 而， 獲得器件精確的實時損耗及準確的熱網絡模型 參數在實際運用中卻十分困難。在器件的使用過程 中， 器件老化會導致熱網絡參數發生變化， 造成與 最初確定的熱網絡模型參數有較大差距， 因此需要 不斷更新參數以保證精度。為了保證熱網絡法測溫 的準確性， 需要考慮的問題包括：焊料層的老化情 況、 傳熱特性中異質材料層之間傳熱角度的 差異性問題 、 以及多芯片之間的熱耦合效應 等 。采用有限元方法對功率模塊進行熱仿真 分析是一種可行的方法， 可獲得芯片表面的二維溫 度場分布 。獲取熱網絡參數需要用到參數辨 識方法 ， 模型參數的準確性直接影響結溫估計 的準確性， 同時， 建立模型有必要考慮雜散參數的 影響， 并根據不同工況選擇不同的模型進行器件的 評估與監測 。

2.2 光學法

光學法測溫主要基于冷光、 拉曼效應、 折射指 數、 反射比、 激光偏轉等光溫耦合效應對器件的結 溫進行測量， 通常借助待測器件溫度與紅外輻射之 間的關系， 包括紅外熱成像儀， 光纖、 紅外顯微 鏡、 輻射線測定儀等 。目前， 紅外熱成像儀已 經廣泛應用到結溫測量領域， 其測量結果準確， 但 是使用成本高， 通常紅外熱成像儀測量結溫與其他 方法測量結溫進行對比， 以此表征其他結溫測量方 法的準確性。

另外， 利用溫敏光學參數 ( TSOP) 法也可進 行結溫測量。在 SiC MOSFET 體內存在一個寄生的 體二極管， 體二極管正向導通期間， 在芯片周圍會 發出可見藍光， 合理利用此電致發光效應可以對 SiC MOSFET 進行結溫測量。研究顯示， 體二極管 的發光強度與溫度的變化呈線性關系， 利用此線性 關系可以對 SiC MOSFET 結溫進行測量;此外， SiC MOSFET 體二極管的發光光譜與其結溫也有直 接關系， 其發光光譜大約在 380 nm 和 480 nm 處顯 示出兩個特征峰， 并且兩個特征峰隨結溫的變化關 系完全相反， 對光譜中的兩個特征峰進行分析利用 也可以實現結溫測量 。

用光學法進行結溫評估的優勢是結果較準確、 無接觸測量等， 但是， 無論是運用紅外熱成像儀對 SiC 功率器件進行結溫測量， 還是采用 TSOP 法利 用 SiC MOSFET 體二極管的電致發光效應， 都需要 去除器件的外封裝， 這會破壞整個模塊的完整性，并且大部分商用紅外熱成像儀的采樣率遠不能滿足 結溫動態測量的要求， 難以用于功率器件的結溫在線測量。

2.3 物理接觸法

物理接觸法測量器件結溫是將溫敏元件作為溫 度傳感器集成到功率器件中， 從而可以對結溫進行 測量， 常用的溫敏元件有溫敏電阻和熱電偶等 。運用溫敏元件進行結溫測量方法簡單、 容易實現， 但是響應速度相對較慢， 并且需要破壞器件外封 裝， 難以器件結溫進行實時檢測， 同時測量的準確 性與溫敏元件和芯片的位置有關， 精度難以滿足結 溫測量的要求。另外， 功率器件在高壓大電流下使 用時， 高電壓絕緣問題以及電磁干擾問題也是一個 重大挑戰。

Y. Zhou 等人和 X. Ma 等人 研究了基于 負溫度系數 (NTC) 溫度傳感器實現 IGBT 的動態 結溫提取， 但是忽略了二極管的熱阻抗和芯片間的 熱耦合效應。劉平等人以功率模塊內置 NTC 溫 度傳感器為溫度參考點， 建立了考慮熱耦合效應的 新型熱網絡模型， 結合準確的損耗在線計算實現了 SiC MOSFET 結溫的在線提取。

2.4 溫敏電參數法

TSEP 法利用結溫與待測器件電氣參數的對應 關系， 通過測量一定溫度下器件電氣參數來評估器 件結溫。運用 TSEP 法進行結溫測量步驟如下：首 先進行離線校準， 通過離線方式獲得 TSEP 與已知 結溫的映射關系， 作為后續結溫測量的參考;其次 是開展參數提取， 在待測器件正常運行時， 實時對 TSEP 進行測量;最后利用事先校準程序中獲得的 映射關系反推芯片溫度。該過程可通過曲線擬合后 的查表法或神經網絡預測法等方式確定 。

SiC 器件不同于 Si 器件， 因其常用于高壓、 高 頻、 高功率密度等場合， 所以對其結溫測量提出了 更大的挑戰。基于 TSEP 法進行結溫評估是目前研 究的熱點和難點， 根據參數獲取的時間階段不同， 可以將 TSEP 分為靜態參數和動態參數兩大類。在 開通或者關斷轉換過程中提取的參數稱為動態參 數， 包括柵極峰值電流、 開通/ 關斷延時、 米勒平 臺、 閾值電壓、 漏極電流變化率、 柵極內阻和關斷 損耗;在完全導通和完全關斷期間提取的參數稱為 靜態參數， 包括導通壓降、 導通電阻、 體二極管壓 降、 飽和電流和短路電流 。

2.4.1 開通/ 關斷延時

開通延遲時間 (t d ， on ) 定義為柵極驅動信號的 上升沿與導通電流開始上升之間的時間。而類似的 關斷延遲時間 (t d ， off) 定義為柵極驅動信號的下降 沿與導通電流下降到零之間的時間。目前， 開通/ 關斷延遲時間已用于 Si MOSFET 與 Si IGBT 的結溫 測量， 并且取得了良好的效果 。SiC 功率器件 相比于 Si 功率器件的開關速度更快， 所以對于開 通/ 關斷延遲時間的測量提出了更高的要求。

研究結果表明不同外柵極電阻下的開通延時不 同， 如圖 5所示增大 SiC MOSFET 的外柵極電阻 (Rg) 可以有效地增大開通延遲時間， 提高靈敏 度， 在 2 000 Ω 的外柵極電阻下， 靈敏度約為 600 ps/ ℃ ， 開通延時與結溫之間的線性度較好， 不同 漏極電流對其幾乎沒有影響 。關斷延時同時受 到溫度和負載電流的影響， 靈敏度較低 (負載電 流 5 A 時約為 20 ps/ ℃ )， 同樣可以通過增大外部 柵極電阻或等效輸入電容來提高靈敏度， 圖 6 所示是對 1 200 V/ 24 A 的 SiC MOSFE 進行靈敏度 測試對比實驗， 將外柵極電阻由 0 Ω 增加到 150 Ω 和 300 Ω 可以將靈敏度提高 30～60 倍。

2.4.2 柵極峰值電流

當柵極驅動電壓保持不變時， 柵極電流可以間接地反映柵極內阻的大小， 柵極電流可直接通過測 量外柵極電阻兩端的電壓進行測量， 測量原理如圖 7所示。

柵極峰值電流用于評估 SiC MOSFET 的結溫， 電流鏡式的柵極驅動拓撲適用于柵極峰值電流作為 TSEP， 而推挽式和電感式的柵極驅動拓撲更適用 于采用開通過程的柵極電流的積分作為 TSEP;已 有 研 究 人 員 對 ROHM 公 司 的 400 V/ 20 A (SCTMU001F) SiC MOSFET 展開研究， 結果顯示 柵極峰值電流與結溫之間大致呈線性關系， 其靈敏 度約為 0.2 mA/ ℃ ， 可以用于評估 SiC MOSFET 的 結溫， 但是， 電源電壓和負載電流會影響柵極峰值 電流的溫度依賴性， 從而對結溫測量的準確性造成 影響 。

2.4.3 閾值電壓

閾值電壓的常用測量方法有變跨導法、 固定電 流法和線性外推法等 。使用閾值電壓對 Si MOS? FET 進行結溫評估， 靈敏度可達到- 5.8 mV/ ℃ ， 相比于體二極管壓降具有更好的溫度敏感性， 并且 線性度較好 。因為 Vgs的上升時間非常快， 通 常可以達到 1 V/ ns， 所以對柵極電壓進行準確采 樣是一個很大挑戰。閾值電壓具有負溫度系數， 圖 8 所示為 SiC MOSFET 的閾值電壓隨溫度的變化曲線。有學者對 Cree 1200 V/ 30 A C3M0075120K 的閾值電壓進行了 測試， 其靈敏度約為-5.2 mV/ ℃ ， 負載電流對閾 值電壓的影響不大， 因此可忽略負載電流對閾值電 壓溫度依賴性的影響， 但是負載電流過大會造成器 件的自熱嚴重;另外， 運用閾值電壓進行結溫評估的靈敏度不受電源電壓的影響 。閾值電壓 應用于 SiC 功率器件進行結溫評估是可行的， 但是 需要高速的精密測量電路與儀器。

2.4.4 漏極電流變化率

在器件的開通和關閉過程， 漏極電流 (iD ) 變 化率 (diD / dt) 是關于溫度的函數， 可用作結溫評 估的 TSEP， 并且開通 diD / dt 的溫度依賴性比關斷 diD / dt 更 好。H. Li 等 人 對 ROHM 公 司 生 產 的 1 200 V/ 40A (SCT2080KE) SiC MOSFET 的開 通 diD / dt 進行了測定研究， 在不同電源電壓下開 通 diD / dt 的溫度依賴性如圖 9 所示， 可以看出漏極 電流變化率隨著溫度的升高而增大。

在柵極電阻過大或者過小時， diD / dt 溫度依賴 性的靈敏度都比較低， 在合適大小的柵極電阻時其 靈敏度會更高。將 diD / dt 用作 SiC MOSFET 結溫測 量的 TSEP， 其線性度好， 但靈敏度低， 可以適當 增大柵極電阻來提高靈敏度。負載電流、 電源電 壓、 柵極電阻以及驅動電壓都與 diD / dt 存在耦合 關系 。

2.4.5 柵極內阻

柵極內阻 (Rg ， int) 由功率器件柵極內部的所 有電阻構成， 不同器件之間存在差異。將一個高頻 正弦信號施加在柵極側， 同時將負載端進行短接， 可以 實 現 對 柵 極 內 阻 的 測 量 。T. Kestler 等 人在 SiC MOSFET 處于關斷時在柵極側施加一 個高頻信號， 通過外部柵極電阻實現柵極內阻的測 量， 進一步， T. Kestler 等人采用了一種 “即插 即用” 的開關裝置， 在器件導通和關斷情況下均 可實現柵極內阻的在線測量， 從而使得測量更加 簡便。一般來說， SiC 功率器件的柵極內阻很小， 所 以在測量時比 Si 功率器件更加困難。不同電源電 壓下 1 200 V/ 50 A SiC MOSFET 柵極內阻的溫度依 賴性如圖 10 所示 ( 圖中的 Vds 與電源電壓相 等)， 其具有正溫度系數， 線性度較好， 靈敏度較 高， 約為 0. 6 ～ 1 mΩ/ ℃ ， 同時電源電壓會影響柵 極內阻的溫度依賴性 。

2.4.6 米勒平臺

在功率器件的開通/ 關斷過程中， 會出現一個 短時間瞬態米勒平臺， 此時對應電壓即米勒平臺電 壓。V. K. Sundaramoorthy 等人的研究中米勒 電容的放電時間被用作 TSEP 來評估 IGBT 的結溫， 結果表明米勒平臺寬度與 IGBT 的結溫呈線性 關系。

SiC 器件中米勒電容放電時間是復雜的， 因其 尺寸更小， 所以米勒電容也更小， 將其用于 SiC 器 件的結溫評估非常困難 。李新秀 指出， SiC MOEFET 的米勒平臺電壓并不明顯， 主要原因是其 短溝道效應和低跨導引起的。B. Y. Liu 等人 提出了一種基于米勒平臺電壓和漏源電流的多維 TSEP 對 SiC MOSFET 進行結溫評估， 并與紅外測 溫進行比較， 結果顯示， 兩種方法測得的結溫波動 趨勢大致相同， 只在結溫峰值處略有區別， 二者誤 差在 3%左右。

2.4.7 關斷損耗

關斷損耗 (Eoff) 作為 TSEP， 可用于功率器件 的結溫監測。G. Q. Xu 等人 和 X. Z. Qiu 等 人將關斷損耗用作 TSEP 測量 IGBT 的結溫， 結 果表明器件的關斷損耗與結溫之間有著良好的正比 關系， 其線性度好、 響應速度快、 監測方便、 可實 現無損測量和在線測量。雖然目前暫未應用于 SiC 器件 估 ， 但隨著進一步的研究發展， 或許可以成為評 SiC 器件結溫的新方法。

2.4.8 導通壓降

SiC MOSFET 的導通壓降 (Vds ， on ) 定義為器件 完全導通時漏源極之間的電壓差， 其與器件的結溫 之間有著確定的對應關系， 可以用作 TSEP 進行結 溫評估， 其在線監測的主要挑戰是轉換器開關期間 漏源極之間的顯著電壓偏移， 電壓范圍從導通期間 的幾伏到關斷期間遠遠超過直流鏈路的電壓瞬變。使用電壓鉗位電路可以對導通電壓實現精確測量， 圖 11 為不同負載電流下 1 200 V/ 29.5 5 A SiC MOSFET (CCS020M12CM2) 導通壓降的溫度依賴 性， 導通壓降與溫度之間有著正溫度系數， 其線性 度好， 靈敏度高， 在 26 A 負載電流下， 靈敏度可 達到 13.7 mV/ ℃ ， 同時負載電流會影響其溫度依 賴性， 可對電流進行測量以解耦， 同時可以在考慮 自熱效應的情況下適當增大負載電流來提高其靈 敏度 。

2.4.9 導通電阻

導通電阻 (Rds ， on ) 可用于 Si IGBT 的結溫評 估。SiC MOSFET 導通電阻由芯片通態漏源電阻和 封裝電路電阻兩部分組成 。圖 12 所示為功率 循環前后 1 200 V/ 19 A SiC MOSFET 導通電阻的溫 度依賴性， 導通電阻有正溫度特性， 但是其靈敏度 不高且隨溫度變化， 并且線性度不足。

導通電阻的溫度依賴性存在非線性和靈敏度方 面的缺陷， 采用二項式插值的方法， 使用導通電阻 與導通電流協同對結溫進行監測， 可以有效提高其 測量精度 。另外， 導通電阻會受到老化影響， 在使用過程中， 隨著老化的加劇導通電阻會逐漸增 大， 所以在長期使用過程中需要不斷進行校準過 程， 否則會造成測量值比實際結溫值高， 因此可以 用結溫的異常升高對器件的老化程度進行評估 。

2.4.10 飽和電流

飽和電流 ( ID ， sat ) 也可用作結溫評估， 在器 件關斷時， 在柵極驅動端施加一個略大于閾值電壓 的驅動電壓， 然后通過測量漏極電流可以實現飽和 電流的提取， 飽和電流不僅與溫度有關， 同時也受 到柵極電壓的影響， 所以需要精準控制柵極驅動 電壓 。SiC MOSFET 的飽和電流已被用作結溫評估研 究， 研究結果顯示飽和電流具有正溫度系數， 但是 遺憾的是在應用過程中需要進行非線性擬合， 會增 大工作量。進一步研究顯示， 飽和電流的平方根與 結溫有著良好的線性關系， 圖 13 所示為 Cree 公 司生產型號為 C2M0080120D 的 1 200 V/ 36 A SiC MOSFET 在不同柵極電壓下飽和電流平方根的溫度 依賴性， 其線性度好， 靈敏度較高， 可以用作代替 閾值電壓進行結溫估計的 TSEP。

2.4.11體二極管壓降

當 MOSFET 的電流通道關閉 體二極管時會產生一個電壓降 V ， 電流反向流過 SD， 此電壓降可用 作結溫評估的 TSEP。測量時對柵極施加負偏置電 壓， 同時施加反向電流流過體二極管， 為了盡可能 減小電流引起的自熱效應， 電流取值不宜太大。

此體二極管壓降作為溫敏電參數時應在柵極端 施加足夠的偏置負電壓 。圖 14所示為 1 200 V/ 50 A SiC MOSFET 在不同測量電流 (Im ) 下體二 極管壓降的溫度依賴性， 其線性度好， 靈敏度高 (-2 ～ -4 mV/ ℃ )， 是用作結溫測量的良好參數， 但不容忽視的其會受到柵極電壓與測量電流的影 響。另外， SiC MOSFET 在使用過程中的雙極性退 化會造成體二極管壓降發生漂移 。

2.4.12 短路電流

在測量短路電流時， 驅動電壓與電源電壓都要 保持不變， 通過短路電流可以間接地反映通態電阻 隨結溫的變化， 短路電流法可以用于 MOSFET、 IGBT 等功率器件的結溫測量， 其具有線性度好和 靈敏度 高 等 優 點 。短 路 電 流 法 用 作 型 號 為 IGC50T120T6RL 的 IGBT 結溫估計， 在驅動電壓為 15 V 時， 其靈敏度可以達到 0.35 A/ ℃ ， 電源 電壓對其影響很小， 但驅動電壓的影響較大， 因此 應盡量選擇合適且恒定的驅動電壓。劉奧博提 出了一種基于短路電流組合方式的 IGBT 結溫測量 方法， 可以實現對鍵合線的老化解耦。需要注意的 是， 即使在很短時間內短路電流也會引起很大的損 耗與自熱， 同時， 短路電流會加速器件的老化， 降 低器件的使用壽命， 所以應慎重選擇短路電流作為 TSEP。目前來看， 使用短路電流法對 SiC 器件結 溫進行測量仍面臨許多挑戰， 需進一步探索研究。

2.5 TSEP 對比分析

TSEP 法用于 SiC 功率器件的結溫評估比用于 Si 功率器件上更加困難， 迎來的挑戰也更多， 需 要綜合考慮在線性度、 靈敏度、 實現難易等多方面 的影響。表 2 對 TSEP 法的線性度、 靈敏度、 耦合 量、 響應速度、 老化影響以及實現難易程度進行了 歸納總結， 表中 Vd c為電源電壓、 柵極電壓。

線性度表征 TSEP 與結溫之間的相關程度， 線性度好則校準簡單， 工作量小， 校準曲線更加 準確， 結 溫 測 量 結 果 更 加 可 信;靈 敏 度 表 征 TSEP 受結溫影響的程度大小， 靈敏度高的參數 用于結溫測量精度更高， 但靈敏度并非定值， 其 可能受到多種因素的影響， 例如關斷延時用作 TSEP 時， 通過增大柵極電阻可以增大靈敏度， 表中所列均為典型研究中測量結果靈敏度;耦合 量是影響 TSEP 溫度依賴性的其他參數， 在結溫 測量過程應采取措施進行解耦或減小耦合量的影 響;響應速度表示結溫測量響應的快慢， 表中開 關頻率代表功率器件每開關一次就可完成一次測 量;老化影響指器件在老化過程中是否會導致 TSEP 的漂移， 若 TSEP 發生漂移會導致結果偏離 最初的校準曲線， 從而導致結果出現較大誤差， 這時需要對校準曲線更新或采取措施進行老化解 耦， 需要注意的是幾乎所有的 TSEP 都會受到老 化的影響;而實現難易評價了該 TSEP 法實現的 可行性與復雜程度。

從表格對比結果來看， 閾值電壓與體二極管壓 降在結溫評估的綜合評價方面具有顯著優勢， 另 外， 二者在校準時的自熱程度均較小， 同時， 閾值 電壓的耦合量少， 而體二極管壓降則受老化的影響 較小。導通壓降雖然具有一定優勢， 但是受自熱程 度影響較大。開通/ 關斷延時、 柵極峰值電流以及 開通漏極電流變化率的耦合量較多， 用于結溫評估 時需重點考慮耦合量的影響。導通壓降、 飽和電流 的非線性與靈敏度隨溫度變化導致準確建立校準曲 線較困難。柵極內阻、 米勒平臺的靈敏度不高， 而 關斷損耗與短路電流用作 TSEP 對 SiC MOSFET 結 溫評估是否適用還需進一步探索。

根據實際工況選擇合適的 TSEP， 不破壞器件封裝情況下， 通過對 TSEP 的實時監測可評估器件 結溫， 在器件的結溫異常時及時對電力電子系統進 行維護， 可避免因結溫過高導致器件失效后造成系 統更大的損失 。

2.6 基于電磁效應的結溫評估

J. O. Gonzalez 等人對 IGBT 使用中的電磁輻 射 (EMR) 進行捕獲分析， 結果顯示， EMR 是 IGBT 開關延遲的函數， 該延遲與結溫成正比， 因 此結溫可以從 EMR 中提取出來， 該方法具有精度 高、 非侵入性的優點。J. Demus 等人 分析了電 路電磁頻譜 (E?PHM) 變化實現系統的預測與健 康管理， 以確定待測器件的健康狀況， 該研究利用 E?PHM 技術評估 SiC MOSFET 的結溫， 結合訓練 機器學習算法， 在不中斷設備運行、 不改變系統性 能的情況下， 評估器件的結溫， 測量的結果誤差在 10 ℃內。

2.7 影響結溫測量精度的因素

TSEP 法有響應速度快、 不破壞器件結構、 可 在線測量等優點， 具有良好的應用前景， 受到了研 究者的廣泛關注。但是由于一些客觀原因或操作問 題會影響測量的精度問題， 例如器件可靠性問題及 不同情況下的參數選擇等問題 。

2.7.1 校準問題

運用 TSEP 法進行結溫評估時， 前期需要進行 校準操作， 通過主動施加結溫來獲取 TSEP 與溫度 之間的函數關系， 此函數關系用于后續的結溫查找 表， 校準的準確性直接影響著結果的準確度。在校 準的過程中需要最大程度地限制器件的自熱問題， 以保證施加溫度與結溫盡可能保持一致。當 TSEP 的溫度依賴性線性度差， 靈敏度低時， 應盡可能增 加采樣的數量， 以保證校準曲線更準確;而線性度 較好， 靈敏度高時可以適當減少采樣的數量， 以減 少校準過程的工作量。

2.7.2 老化問題

器件在使用的過程中會發生老化， 老化幾乎會 對所有 TSEP 產生影響， 從而引起參數漂移， 造成 測量結果與實際結溫的誤差。例如老化會導致通態 電阻和閾值電壓的增加， 從而造成結溫估計比實際 溫度高。老化問題解決的常用辦法有兩個：一個是 老化過程中不斷進行校準程序， 但此過程繁瑣， 工 作量大;另一個是采取一定的補償方式進行老化補 償或實現老化解耦。

2.7.3耦合問題

TSEP 除了受到溫度的影響外， 還可能受到其 他參數的影響。例如不同柵極電阻值下導通延時靈 敏度不同、 不同電源電壓下柵極內阻的溫度依賴性 差別很大等， 因此， 在實際工程運用需考慮耦合問 題， 可以采取措施解耦， 以實現結溫精確測量。

2.7.4 采樣精度問題

SiC 器件較傳統的 Si 器件來說， 開關速度更 快， 傳統的測量電路與儀器很難滿足其精度要求。例如因開通過程非常迅速， 使用開通延時、 閾值電 壓等作為 TSEP 時， 可供采集的過程非常短， 通過 傳統的采集電路及設備得到的數據可能存在較大的 偏差， 因此對于相關 TSEP 的測量電路與儀器需要 更高的精度要求。

3 結論及展望

3.1 結論

本文對 SiC 功率器件的溫度特性和結溫評估研 究現狀進行了分析總結。首先對影響功率器件特性 的主導因素進行了研究， 然后對 SiC 器件的輸出特 性、 轉移特性受溫度的影響情況進行了闡述， 分析 了溫度對器件參數的影響機理;進一步， 對常見的 Si 與 SiC 半導體功率器件的材料參數特性進行了比 較。最后， 對結溫評估的方法進行了梳理總結。

研究表明， TSEP 法有著不破壞器件結構、 可 在線評估， 響應速度快等優點， 被認為是最有前景 的結溫評估方法之一， 是本文闡述的重點。對 SiC 功率器件結溫評估的 TSEP 法進行了系統的梳理與 總結， 從線性度、 靈敏度、 耦合量、 響應速度、 老 化影響以及實現難易程度 6 個方面進行對比分析， 建立了一套較為全面的評價指標。分析了影響 TSEP 法測量精度的因素， 列舉了一些相應的解決辦法 。

3.2 面臨的挑戰

TSEP 法雖然被認為是 SiC 功率器件結溫評估 最有前景的方式之一， 目前也取得了一些有效的成 果。然而， 目前來看 TSEP 法在工程應用中還面臨 許多挑戰， 主要包括以下幾個方面。

① 如何在不改變電路拓撲和變換器運行狀態 的前提下運用該方法。不改變原有的主電路拓撲與 運行狀態是不能違背的基本原則之一。比如在測量 時整流器的輸出端引入大的紋波是工程應用中不想看到的結果。

②如何對耦合量實現解耦。耦合量越多校準的 過程就越復雜越困難， 并且耦合量會影響結溫測量 的精度， 因此采取措施對耦合量進行解耦， 或將耦 合量的影響程度減至最小， 以增強測量結果的可 信度。

③如何減小器件老化的影響， 或直接對老化因 素解耦。幾乎所有的 TSEP 都會受到老化因素的影 響， 而老化過程需要不斷進行校準， 校準過程的工 作量大且繁瑣， 因此減小老化影響或直接對老化實 現解耦是必要的。

④不同器件需要重新校準的挑戰。校準過程工 作量大而繁瑣， 但不同器件的同一 TSEP 溫度依賴 性不同， 因此每次都需要重新校準， 這會導致工作 效率低下， 也是目前較難克服的挑戰。

⑤測量電路及儀器的精度問題。SiC 材料的 TSEP 采集非常困難， 因此對測量電路和儀器的精 度提出了更高的要求。

⑥器件可靠性問題。SiC MOSFET 的柵氧層的 SiC / SiO2界面態問題是芯片生產工藝難以克服的難 點， 這嚴重影響了其性能， 大量的界面陷阱會降低 溝道遷移率、 造成閾值電壓發生漂移， 進而對轉移 特性和輸出特性造成影響， 從而導致大多數電氣參 數受到影響。

⑦寄生電感問題。主電路中不可避免的存在寄 生電感， 寄生電感的存在會引入干擾影響到開關波 形， 而開關波形是讀取被測器件動態參數的重要依據，因此寄生電感問題是面臨的挑戰之一 。

3.3 展 望

目前， TSEP 數法應用在 SiC 功率器件的結溫 評估中尚不成熟， 仍有許多問題亟待研究解決， 從 以下幾個方面對未來的研究工作進行展望。

①改善傳統適用 Si 器件的測量電路弊端， 研 究開發新的測量電路。對于目前部分測量過程會改 變電路拓撲結構或運行狀態， 以及測量電路精度不 高、 靈敏度不夠等弊端， 需要進一步改善測量電路 或提出全新的測量電路達到更理想的測量要求。

②實現多參數之間解耦。多個電參數耦合使得 結溫測量的工作量大幅度增加， 同時會影響測量的 準確性問題， 因此實現參數間的解耦是必要的。

③進一步研究 SiC 器件老化的機理， 減小老化 對測量結果的影響。老化幾乎對所有的電參數都會 產生影響， 不斷的校準過程使得工程應用十分困 難， 可以采取措施進行老化補償或開發新方法實現 老化解耦。

④開發新的結溫評估方法。目前對典型溫敏電 參數的利弊都有了一定的了解， 但是其他物理參量 是否適用于 SiC 器件結溫評估仍需進一步探索。

審核編輯：湯梓紅